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西门子PLC构成PROFIBUS网络原理及应用

字号+ 作者:新闻小编 来源:未知 2019-08-15 10:59 我要评论( )

:引言 车站联锁系统是铁路信号系统中的一个重要组成部分,它的主要任务是控制车站中的信号机和道岔,并且对信号灯......

引言

  车站联锁系统是铁路信号系统中的一个重要组成部分,它的主要任务是控制车站中的信号机和道岔,并且对信号灯状态进行处理和对进路进行选择等。随着铁路信号系统的信息化发展,微机联锁系统必然取代旧式的电气联锁系统。

  就国内外现状来看,大多采用上、下位机的办法来实现对车站信号的控制;有些微机联锁系统中,下位机主要实现数据的采集、命令发送、数据输出等,而把主要的联锁功能置于上位机,这样一来,上位机负担太重,一旦上位机产生故障,不能保证系统的安全性、可靠性。如果能够将联锁功能块置于下位机,而且下位机安全性、可靠性比较高,那么整个系统的安全性、可靠性就能够得到有效保证。

  在以前的微机联锁系统中,用工业控制机作为下位机,实现联锁功能,但不能保证系统冗余,这样就不能保证整个系统的安全性、可靠性。因此,就要不断更新和研究,寻求更完善的、更可靠的硬件、软件环境,以提高系统性能和安全系数。用西门子PLC完成联锁功能,构成PROFIBUS-DP/MPI分布式网络系统,这样整个联锁系统安全可靠。

  PROFIBUS现场总线技术是随全数字信号系统的发展而产生的,是由德国组织开发的工业现场总线协议标准PROFIBUS现场总线标准(DIN19254)。

  PROFIBUS是近年来国际上最为流行的现场总线,也是目前数据传输率最快的一种现场总线(传输率可达12M波特),因此在很多领域内广泛应用。它是不依赖于生产厂家的、开放式的现场总线,各种各样的自动化设备均可通过同样的接口交换信息。

  PROFIBUS-DP(DistributedI/OS-分布系统)是一种经过优化的模块,有比较高的数据传输率,适用于系统和外部设备之间的通信,远程I/O系统尤为适合。它允许高速度周期性的小批量数据通信,适用于对时间要求比较高的自动化场合。

  笔者将以S7-400HPLC为例,结合其在铁路信号中的应用,探讨实现PROFIBUS-DP/MPI网络系统原理和方法。

PROFIBUS-DP/MPI网的性质和特点

  PROFIBUS-DP适用于现场层的高速数据传送。主站周期地读取从站的输入信息并周期地向从站发送输出信息。除周期性用户数据传输外,PROFIBUS-DP还提供智能化现场设备所需的非周期性通信以进行组态、诊断和报警处理等。

DP网的协议结构

  PROFIBUS定义了各种数据设备连接的串行现场总线的技术和功能特性,这些数据设备可以从底层(如传感器、执行器层)到中间层(如车间层)广泛分布。

  PROFIBUS连接的系统由主站和从站组成。主站一般要复杂些;从站为简单的外围设备,典型的从站为传感器、执行器及变送器,它们没有总线控制权,仅对接收到的信息给予回答,或者主站发出请求时回送给主站相应信息。因此,从站只需要协议的一小部分,实现起来非常方便。

  PROFIBUS协议结构是根据ISO7498国际标准,以开放式系统互联网络(Open System Interconnection,OSI)作为参考模型,该模型共有7层,PROFIBUS-DP定义了其中的第一、二层和用户接口。第3到7层未加描述。

  图1为ISO/OSI参考模型与PROFIBUS体系结构比较。用户接口规定了用户及系统以及不同设备可调用的应用功能,并详细说明了各种不同 PROFIBUS-DP设备的设备行为。物理层采用EIARS-485双绞线或光纤,连接器采用RS-485标准的9针D型插座。数据链路层提供了介质存取控制功能、数据的完整性检查以及传输执行的协议,在PROFIBUS中称第2层为现场总线数据链路(FDL)(包括介质访问存取控制(MAC)子层、现场总线链路控制(FLC)子层、现场总线管理(FMA1/2)子层),采用混合介质存取协议,对应于DIN(E)19245,支持单主或多主系统,主或从设备,最大站数为126。它包括主站之间的数据传输的令牌环方式和从站之间的主-从方式。PROFIBUS第7层包括底层接口(LLI)、现场总线信息规范(FMS)和现场总线管理(FMA7)。

  

  图1 ISO/OSI参考模型与PROFIBUS体系结构比较

  图2为PROFIBUS-DP数据传输示意图,即主站发送请求,访问DP从站,其中包括帧格式;从站收到请求信息后,立即响应主站,并回送响应帧。

  

  图2 PROFIBUS-DP用户数据传输

DP网的性质及特点

  PROFIBUSDP采用主从方式和低层的令牌环传递相结合的形式进行通道分配,整个网络可以将总线系统分割成线段,分步建立,段间用中继器连接,每个段可以有32个网络站,整个网络可以达到126个网站。由于最大传输速率可达 12Mbps,以及其第2层采用SRD(发送并要求回送)功能,使得输入、输出数据可以在一个周期内完成,所以传输速度提高了,可尽可能地减少总线周期。而在单主站系统中只有一个主站,这种组态提供了最短的总线周期。 PROFIBUS-DP开放性好,开展性强,灵活性高。

  用 S7-400HPLC构成DP网,由于SIMATICS7V5.2提供有效的系统主持,可实现软件参数化I/O、多功能自诊断,功能模块更易于连接。在 S7-400H系统中,CPU之间的同步,由同步模块通过同步光纤连接,在软件和硬件方面都可以实现CPU同步。采用STEP7编程软件进行现场集中控制编程,诊断测试就象采用集中处理单元的集中编程接口时一样。在编程过程中,不需考虑硬件配置,由编程软件实现网络系统组态。

MPI网的性质和特点

  CPU中用于连接象编程器这样的设备的接口叫多点接口(MPI),这是因为通过这个接口,两个或两个以上的设备可以从两个或两个以上的节点与CPU通讯。也就是说,带有MPI的CPU已经具有连网能力。MPI网络的结构与 PROFIBUS-DP网络是相同的,就是说,两种网络遵循的规则和使用部件是相同的。

S7-400HPLC实现的DP/MPI网络系统

  下面是一个按照上述原理用S7-400HPLC构成的多主站DP/MPI网络的实例。

  系统结构

  整个网络系统为一个车站信号的控制,如图3所示。该网络为由两台S7-414HPLC和ET200M组成的分布式结构。PLC通过CP5611卡与上位机通信。其中一台PLC为主站,另一台为热备。

  ET200M选用西门子IM153-2。IM153-2的作用是连接I/O模板,提供PROFIBUS-DP连接;输入模块选用SM321DI32 DC24V,共需要18个模块,主模块9个,备用9个。输出模块用SM322DO3224V,共用8个,主模块4个,备用4个。输入、输出模块都是通过 DP连接。3台上位机,都是通过CP5611与PLC的CPU相连。两个CPU之间通过同步光纤连接。

用户界面

  每台PLC都通过CPU模块上的MPI集中编程接口和配置有MPI接口的PC机相连。我们采用西门子的CP5611与PLC的CPU相连。PC机中配置SIMATICSTEP7V5.2编程软件。

  由于是冗余系统,还需要安装西门子的冗余软件,才能做到PLC的两个CPU之间同步。3台上位机中,其中两台是操作员用的监控机,另一台为维修机。在整个系统中,上位机之间可以互相通讯,也可以与PLC之间通讯。每台PC机都要安装CP5611驱动软件,才能完成功能。

程序结构

  系统组态及参数设置

  由SIMATICSTEP7V5.2编程软件,进入硬件组态状态,对各台PLC进行网络参数设置。首先,建立Pro2ject,如取名为C:\ swjtu,在该文件下选择网络Subnet为PROFIBUS,站名为SIMATIC414HStation,然后进行硬件组态。其次是建立各站在网络的地址。最后组态3个PG/PC站,在选项窗口中选中CP5611,并分配地址,主编程站地址为0,其余两个只要地址不相同即可。

程序结构

  西门子SIMATICS7-400HPLC的编程器STEP7可运行在PC机的Windows环境下,界面友好,提供了梯形图、语句表和块图3种形式的编程、调试、诊断等功能。本实例采用模块化程序结构,程序由几大功能块组成,每个功能块完成一系列的控制逻辑,放置在组织块OB1中的指令决定控制程序的各功能块的执行。本例中功能块FC1是微机联锁命令处理程序,FC2是进路处理程序,FC3,FC4是微机联锁状态处理程序,FC5是常量定义,FC6是信号输出处理,FC7是道岔输出处理,FC8是信号采集。程序结构框图如图4所示。功能块为多层次调用,FC1在调用其他功能块,比如FC1调用FC9, FC9调用FC10,FC10调用FC11、FC12、FC13、FC14等。在STEP7中,允许功能块调用最多为16层。

  图3为应用于唐山钢铁集团公司焦化厂火车站的微机联锁系统的PROFIBUS-DP/MPI网络原理框图。3台监控机为监控层,PLC为联锁层,I /O为控制层。车站联锁系统主要由联锁以及信号、道岔、区段和进路的动作建立。本例中,以车站微机联锁的控制过程说明PROFIBUS-DP网络的实践应用。

  

  图3 网络系统结构图

  进路控制过程包括进路建立、进路解锁。进路建立包括进路选择、道岔控制、进路锁闭、信号控制,进路解锁就是对已建立的进路、道岔进行的进路锁闭,进路解锁包括取消进路、人工解锁、正常解锁、中途折返解锁、故障解锁。

  

  图4 程序结构框图

  在组织块OB1中,先调用FC1对联锁命令进行处理,其中包括进路处理、道岔处理、信号处理,调用FC2对进路进行处理,调用功能块FC1、 FC2对联锁状态进行处理,再调用功能块FC6、FC7、FC8对数据进行输入输出处理。以功能块FC1命令处理程序为例,说明其功能调用过程。功能块 FC1先调用 FC10进行进路选择,然后调用FC11、FC12、FC13等,对其他命令进行处理。

结论

  从实际应用来看,整个网络运行良好,网络结构简单,技术性能稳定。实践证明,PROFIBUS-DP网构成的灵活实用分布式网络在铁路系统有良好的应用前景。

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